Đồ án HCMUTE: Thiết kế và chế tạo máy biến dạng thép tấm bằng cảm ứng từ

Đồ án nghiên cứu hcmute nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy biến dạng thép tấm bằng cảm ứng từ, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Nguyễn Trung Tín
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Máy Biến Dạng Thép Tấm Bằng Cảm Ứng Từ
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI NÓI ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG, BIỂU ĐỒ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tình hình nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ CHẾ TẠO
• 2.1. Các phương án di chuyển của trục tọa độ
• 2.1.1. Phương án phôi cố định
• 2.1.2. Phương án phôi di chuyển trên 1 trục
• 2.1.3. Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu
• 2.2. Vít me – đai ốc
• 2.3. Bộ truyền bánh răng
• 2.4. Bộ dẫn hướng
• 2.5. Các số liệu dùng trong thiết kế
• 2.6. Vẽ thiết kế khung máy
• 2.7. Mô phỏng ứng suất và chuyển vị
• 2.8. Tính toán thông số các bộ truyền
• 2.8.1. Chọn động cơ cho trục Z
• 2.8.2. Chọn động cơ cho trục X
• 2.8.3. Chọn động cơ cho trục Y
• 2.9. Lựa chọn loại động cơ
• 3. CHƯƠNG III: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY
• 3.1. Động học của máy
• 3.2. Động học vận tốc và động lực học của máy
• 4. CHƯƠNG IV: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN – HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA MÁY
• 4.1. Các thiết bị điện
• 4.1.1. Bộ điều khiển trung tâm
• 4.1.2. Driver và động cơ servo (Motor)
• 4.1.3. Cấu trúc của bộ điều khiển
• 4.1.4. Bộ điều khiển dùng trong hệ thống
• 4.2. Giới thiệu tổng quan
• 4.3. Giới thiệu chung về PLC
• 4.4. Các chức năng của PLC sử dụng trong hệ thống
• 4.5. Nhiệm vụ của phần mềm máy tính, PLC trong hệ thống
• 4.6. Phần mềm máy tính
• 5. CHƯƠNG V: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Máy biến dạng thép
• 5.2. Kiểm tra dung sai của máy
• 5.3. Hình ảnh kết quả thực nghiệm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Đề tài 'Nghiên cứu thiết kế máy biến dạng thép tấm bằng cảm ứng từ tại HCMUTE' tập trung vào việc phát triển một hệ thống máy móc hiện đại nhằm gia công thép tấm. Máy biến dạng được thiết kế để sử dụng công nghệ cảm ứng từ, giúp tạo hình thép tấm một cách chính xác và hiệu quả. Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, việc áp dụng công nghệ mới vào sản xuất là rất cần thiết. Đề tài không chỉ đáp ứng nhu cầu thực tiễn mà còn góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành công nghiệp cơ khí Việt Nam.

1.1. Tình hình nghiên cứu

Hiện nay, công nghệ CNC đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí. Việc áp dụng công nghệ chế tạo hiện đại giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình gia công, tuy nhiên, việc thiết kế máy biến dạng thép tấm bằng cảm ứng từ vẫn còn hạn chế. Đề tài này nhằm khắc phục những thiếu sót đó, đồng thời nghiên cứu sâu hơn về quy trình thiết kế và chế tạo máy.

II. Thiết kế và chế tạo máy

Quá trình thiết kế máy biến dạng thép tấm bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần xác định các thông số kỹ thuật của máy, bao gồm kích thước, công suất và khả năng gia công. Thiết kế máy phải đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình hoạt động. Việc sử dụng cảm ứng từ trong quá trình gia công giúp tạo ra nhiệt độ cao, làm mềm thép tấm và dễ dàng tạo hình theo yêu cầu. Hệ thống điều khiển cũng được thiết kế để đảm bảo tính linh hoạt và chính xác trong việc điều khiển đầu gia nhiệt.

2.1. Các phương án thiết kế

Nghiên cứu đã đưa ra nhiều phương án thiết kế khác nhau cho máy biến dạng. Các phương án này được phân tích dựa trên các tiêu chí như hiệu suất, độ bền và khả năng ứng dụng. Việc lựa chọn phương án tối ưu không chỉ dựa vào lý thuyết mà còn dựa vào thực tiễn sử dụng. Các phương án thiết kế được mô phỏng và thử nghiệm để đánh giá hiệu quả trước khi tiến hành chế tạo thực tế.

III. Kết quả thực nghiệm

Sau khi hoàn thành quá trình thiết kế và chế tạo, máy biến dạng thép tấm đã được đưa vào thử nghiệm. Kết quả cho thấy máy hoạt động ổn định và đạt được hiệu suất cao trong việc gia công thép tấm. Đánh giá hiệu suất của máy cho thấy khả năng tạo hình chính xác và nhanh chóng, đáp ứng được yêu cầu của ngành công nghiệp đóng tàu. Các thử nghiệm cũng chỉ ra rằng việc sử dụng cảm ứng từ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất.

3.1. Đánh giá hiệu suất

Kết quả thử nghiệm cho thấy máy biến dạng thép tấm có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau. Các thông số kỹ thuật như độ chính xác, tốc độ gia công và khả năng tạo hình đều đạt yêu cầu. Việc sử dụng cảm ứng từ không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến chất lượng sản phẩm. Điều này chứng tỏ giá trị thực tiễn của đề tài trong việc nâng cao năng lực sản xuất của ngành công nghiệp cơ khí.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành sản xuất cơ khí chế tạo đòi hỏi tính tự động hóa và sự linh hoạt ngày càng cao. Việc ứng dụng các dòng máy điều khiển số kỹ thuật số (CNC) là điều kiện thiết yếu giúp nâng cao năng lực gia công và độ tin cậy của sản phẩm. Tại Việt Nam, khảo sát thực tế được tác giả dẫn lại cho biết năm 2006, cả nước đã chi khoảng 4,5 tỷ USD để nhập khẩu máy CNC; cùng thời điểm, 23 doanh nghiệp Nhật Bản đã đến khảo sát để tìm kiếm nhà cung cấp phụ kiện nhưng không thể hợp tác do năng lực máy móc kỹ thuật số trong nước chưa đáp ứng được chuẩn xác. Các thiết bị CNC nhập từ Nhật Bản hay Cộng hòa Liên bang Đức có chất lượng tốt nhưng giá thành cao, việc bảo trì phức tạp. Ngược lại, máy nhập khẩu từ Đài Loan hay Trung Quốc tuy có giá thành dễ tiếp cận nhưng dịch vụ hậu mãi, bảo hành và đào tạo chuyển giao còn nhiều bất cập. Các nỗ lực lắp ráp máy CNC trong nước thường gặp khó khăn cốt lõi ở khâu thiết kế cơ khí, độ cứng vững và cơ cấu dẫn truyền dẫn tới độ chính xác và độ tin cậy chưa cao.

Trong ngành công nghiệp đóng tàu thủy, việc gia công định hình các tấm thép vỏ tàu có độ dày lớn (chiều dày khoảng 10 mm) truyền thống sử dụng phương pháp uốn nhiệt cục bộ bằng đầu đốt khí oxy - axetylen kết hợp làm nguội. Phương pháp này tiêu tốn nhiều sức lao động thủ công, năng suất thấp, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động và khó kiểm soát hình học uốn do phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm thợ cơ khí. Các nghiên cứu trên thế giới thời điểm đó chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng tính toán biến dạng nhiệt của thép tấm mà chưa hoàn thiện bài toán thiết kế tối ưu hệ thống đầu tạo nhiệt và tự động hóa quỹ đạo di chuyển 3 chiều. Từ thực tiễn trên, đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình máy CNC 3 trục chuyên dụng ứng dụng công nghệ nung nhiệt cảm ứng điện từ tần số cao phục vụ gia công biến dạng thép tấm.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được tác giả xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu nguyên lý tạo hình nhiệt thép tấm sử dụng từ trường tần số cao để đốt nóng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ từ nguồn năng lượng xoay chiều.
2. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh kết cấu cơ khí 3 trục tọa độ (X, Y, Z) có khả năng mang và điều khiển đầu nung từ trường di chuyển linh hoạt.
3. Thiết kế, đấu nối và thiết lập hệ thống điện điều khiển trung tâm sử dụng bộ điều khiển lập trình (PLC) kết hợp với máy tính.
4. Xây dựng giải thuật và viết chương trình điều khiển quỹ đạo di chuyển của đầu nung cảm ứng từ theo biên dạng định trước để uốn biến dạng tấm thép theo yêu cầu kỹ thuật.
5. Kiểm tra sai số, dung sai chuyển vị của cơ hệ và tiến hành thực nghiệm biến dạng các tấm thép có chiều dày 10 mm.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống máy biến dạng thép tấm 3 bậc tự do tịnh tiến và quy trình điều khiển đầu gia nhiệt từ trường nung uốn thép tấm. Phạm vi không gian của máy được thiết kế để gia công các tấm thép có chiều dày 10 mm với kích thước phôi giới hạn là 1,4 m x 1,5 m, hành trình chuyển động thực tế yêu cầu trục X lớn hơn 1,5 m, trục Y lớn hơn 1,4 m và hành trình chuyển động thẳng đứng của trục Z lớn hơn 150 mm. Đồ án được thực hiện và bảo vệ vào tháng 7/2015 tại Bộ môn Công nghệ Kim loại, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với sự hỗ trợ trang thiết bị từ phòng thí nghiệm OpenLab.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đề tài dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và hiệu ứng gia nhiệt bằng dòng điện xoáy (dòng Foucault). Khi dòng điện xoay chiều tần số cao chạy qua cuộn dây của đầu gia nhiệt, từ trường biến thiên sinh ra dòng cảm ứng trong lòng tấm thép đặt liền kề. Dòng điện cảm ứng này sinh nhiệt Joule tập trung làm dẻo cục bộ bề mặt kim loại, từ đó làm biến dạng uốn cong tấm thép dưới tác động của sự chênh lệch nhiệt độ và sự co ngót thể tích khi nguội. Về mặt động học, hệ thống máy 3 trục tịnh tiến được mô hình hóa theo lý thuyết cánh tay robot tọa độ Decartes (Cartesian robot) 3 bậc tự do, sử dụng bảng tham số Denavit - Hartenberg (D-H) để giải bài toán động học vị trí thuận - nghịch, động học vận tốc (ma trận Jacobi) và phân tích động lực học kết cấu chuyển động. Về lý thuyết điều khiển số, đề tài áp dụng các giải thuật nội suy đường thẳng và giải thuật nội suy đường tròn Midpoint nhằm tạo chuỗi xung phát động cho các động cơ servo.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm các bước:

• Phương pháp khảo sát, phân tích và tổng hợp tài liệu chuyên ngành liên quan đến công nghệ nung nhiệt thép tấm bằng cảm ứng từ trong đóng tàu thủy và các hệ thống máy gia công điều khiển số.
• Phương pháp mô phỏng số phần tử hữu hạn (FEM) tĩnh học: Sử dụng mô-đun Simulation của phần mềm SolidWorks để tính toán ứng suất Von-Mises, độ võng và chuyển vị của dầm khung nhôm Profile và cụm đồ gá mang tải.
• Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật cơ điện: Tính chọn công suất động cơ dẫn động theo các công thức cơ học truyền động trục vít và bánh răng; thiết kế mạch giao tiếp truyền thông và cấu hình chuỗi xung phát PTO (Pulse Train Output) từ PLC điều khiển driver servo.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo cơ khí, đo kiểm sai số vị trí bằng dụng cụ đo chuyên dụng, lập trình phần mềm vận hành và thực nghiệm uốn cong các tấm thép mẫu dày 10 mm theo quỹ đạo uốn thẳng và đường uốn lượn sóng.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm báo cáo khoa học "Tạo nhiệt thép tấm bằng cảm ứng trong công nghiệp đóng tàu thủy", các bảng thông số tiêu chuẩn về mô-đun đàn hồi của vật liệu, thông số kỹ thuật của thanh nhôm Profile, sắt hộp chữ nhật 80 x 40 x 1,2, ổ lăn 6201Z, cùng tài liệu kỹ thuật về PLC và dòng động cơ servo Mitsubishi HA-FE.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống máy được thiết kế hoàn chỉnh gồm phần cơ khí chịu lực, cơ cấu truyền động 3 trục và tủ điều khiển điện tử kết nối máy tính:

Trục chuyển động	Cơ cấu truyền động chính	Cơ cấu dẫn hướng	Thông số kỹ thuật chi tiết
Trục Z (Thẳng đứng)	Bộ truyền vít me - đai ốc bi	Thanh trượt bi dẫn hướng	Chiều dài vít me: 400 mm; đường kính trong d1 = 20 mm; bước ren: 5 mm; 4 mối ren; rãnh thu hồi bi dạng ống tròn; thanh trượt dẫn hướng 30 x 25 x 400 mm; kết hợp hộp giảm tốc trục vít tỉ số truyền 1:30 tự hãm; tải trọng tính toán Pz = 200 N (khối lượng đầu từ và đồ gá 20 kg).
Trục X (Dọc)	Bộ truyền bánh răng - thanh răng	Bánh lăn chịu tải	Mô-đun răng m = 3; đường kính vòng chia bánh răng d1 = 54 mm; chiều dài thanh răng 1,5 m; động cơ kéo qua hộp giảm tốc.
Trục Y (Ngang)	Bộ truyền bánh răng - thanh răng	2 thanh trượt bi	Sử dụng 2 thanh răng dài 1,4 m; mô-đun m = 3; đường kính vòng chia d1 = 54 mm; dẫn hướng bằng 2 thanh trượt bi kích thước 30 x 25 x 1400 mm.

Về phương án bố trí không gian, tác giả so sánh ba phương án: phôi cố định, phôi di chuyển 1 trục và phôi di chuyển 2 trục. Phương án phôi cố định được lựa chọn vì tấm thép gia công có kích thước lớn (1,4 m x 1,5 m), chiều dày 10 mm rất nặng và bị uốn biến dạng cong vênh trong suốt quá trình nung nhiệt, khiến việc kẹp chặt di chuyển trên bàn máy là không khả thi. Đồng thời, do quá trình nung nhiệt không phát sinh lực cắt gọt như gia công phay tiện truyền thống nên phương án phôi cố định giúp đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

Về kết cấu khung máy, tác giả lập và đánh giá hai phương án thiết kế:

• Phương án 1 (Khung thép hàn): Khung máy dùng thép hàn có độ cứng vững cao, chịu tải trọng lớn nhưng nhược điểm là kết cấu cồng kềnh, nặng nề, khó vận chuyển lắp đặt và đồ gá chế tạo phức tạp.
• Phương án 2 (Khung nhôm định hình): Khung sử dụng nhôm Profile (45 x 45 mm và 50 x 50 mm). Ưu điểm là giảm đáng kể trọng lượng toàn máy, dễ lắp ráp, căn chỉnh, bảo trì và chi phí thấp. Mặc dù độ cứng vững của nhôm thấp hơn thép nhưng do máy hoạt động ở dải vận tốc di chuyển chậm của đầu gia nhiệt nên hoàn toàn đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật. Phương án 2 được chọn để gia công chế tạo thực tế.

Kiến trúc điều khiển gồm máy tính cá nhân (PC) kết nối với bộ điều khiển lập trình PLC thông qua chuẩn truyền thông RS-232 qua cổng COM. Phần mềm giao diện máy tính đảm nhiệm việc lập kế hoạch quỹ đạo, tính toán nội suy biên dạng và gửi lệnh xuống PLC. PLC giữ vai trò phát chuỗi xung tốc độ cao PTO để điều khiển các bộ driver động cơ servo Mitsubishi HA-FE quay chính xác theo từng bước vị trí, từ đó kéo các trục X, Y, Z tịnh tiến đồng bộ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của tự động hóa sản xuất và ứng dụng công nghệ điều khiển số CNC trong nền công nghiệp hiện đại. Tác giả phân tích thực trạng công nghệ CNC tại Việt Nam, nêu rõ nhu cầu cấp bách trong việc nghiên cứu làm chủ công nghệ thiết kế cơ khí và điều khiển cho các dòng máy CNC chuyên dụng nội địa thay vì phụ thuộc vào máy nhập khẩu đắt tiền. Chương này đồng thời phân tích nhược điểm của công nghệ uốn vỏ tàu thủy truyền thống bằng đầu đốt khí oxy - axetylen thủ công, từ đó xác định mục tiêu nghiên cứu là chế tạo máy uốn thép tấm dày 10 mm bằng cảm ứng từ tần số cao với cơ cấu chuyển động 3 trục tự động, hướng tới nâng cao năng suất và chất lượng trong công nghiệp đóng tàu.

Chương II: Các phương án thiết kế cơ khí và chế tạo

Chương 2 tập trung phân tích, lựa chọn các giải pháp cơ cấu và tính toán cơ khí cho hệ thống:

• Phân tích các phương án di chuyển trục tọa độ và kết luận chọn phương án phôi cố định để giảm thiểu sai số gá đặt và phù hợp với đặc tính biến dạng nhiệt của thép tấm.
• Lựa chọn cơ cấu truyền động: Phân tích ưu nhược điểm giữa vít me đai ốc ma sát trượt và vít me bi ma sát lăn, quyết định dùng bộ truyền vít me bi kết hợp hộp giảm tốc trục vít bánh vít tỉ số truyền 1:30 tự hãm cho trục Z nhằm giữ đầu từ ổn định không bị trôi do trọng lực; chọn bộ truyền bánh răng - thanh răng (m = 3, d1 = 54 mm) cho trục X (thanh răng 1,5 m) và trục Y (2 thanh răng 1,4 m) cùng hệ thống thanh trượt bi dẫn hướng.
• Thiết kế kết cấu khung máy bằng nhôm Profile 45 x 45 mm và 50 x 50 mm.
• Mô phỏng ứng suất tĩnh và chuyển vị trên phần mềm SolidWorks Simulation với các kết quả cụ thể:
  • Thanh nhôm Profile 45 x 45 mm dài 1,4 m cố định hai đầu: Ứng suất cực đại đạt 2,82898 x 10^6 N/m^2, ứng suất cực tiểu 4.394 N/m^2; chuyển vị cực đại U = 1,029 mm.
  • Thanh nhôm Profile 50 x 50 mm dài 1,5 m làm dầm trục X cố định hai đầu: Ứng suất cực đại đạt 2,25262 x 10^6 N/m^2, ứng suất cực tiểu 642 N/m^2.
  • Cụm đồ gá tấm đỡ dày 5 mm: Ứng suất cực đại tập trung đạt 2,72054 x 10^7 N/m^2, ứng suất cực tiểu 1.624 N/m^2. Kết quả đối chiếu với bảng số liệu vật liệu cho thấy ứng suất sinh ra đều nhỏ hơn ứng suất bền cho phép của vật liệu.
• Tính toán tải trọng trục Z (Pz = 200 N) và lựa chọn động cơ servo dẫn động.

Chương III: Động học và động lực học của máy

Chương 3 xây dựng mô hình toán học cho hệ thống máy thông qua việc mô hình hóa chuyển động của đầu nung dưới dạng cánh tay robot 3 bậc tự do tịnh tiến. Tác giả thiết lập hệ trục tọa độ theo quy tắc Denavit - Hartenberg, lập bảng thông số D-H và thiết lập các ma trận biến đổi thuần nhất biểu diễn vị trí và hướng của đầu nung cảm ứng từ trong không gian làm việc. Trên cơ sở đó, phương trình động học vị trí thuận và động học vị trí ngược được giải giải tích để tính toán tọa độ dịch chuyển của các trục X, Y, Z tương ứng với vị trí điểm đốt nóng trên phôi. Chương này cũng trình bày phương trình vi phân động học vận tốc sử dụng ma trận Jacobi và phân tích động lực học kết cấu nhằm kiểm tra tính ổn định chuyển động của cơ hệ khi gia tốc thay đổi.

Chương IV: Hệ thống điều khiển – Hệ thống điện của máy

Chương 4 mô tả cấu trúc phần cứng và phần mềm của hệ thống điều khiển tự động:

• Lập bảng so sánh tính năng giữa PLC và vi điều khiển trong môi trường công nghiệp, xác định lựa chọn PLC làm bộ điều khiển trung tâm nhờ khả năng chống nhiễu vượt trội, độ bền cao và tích hợp sẵn chức năng phát xung tốc độ cao PTO (Pulse Train Output).
• Thiết lập sơ đồ mạch điện hệ thống, sơ đồ khối truyền thông giữa cổng COM máy tính và PLC theo chuẩn giao tiếp RS-232, bao gồm phân tích các mức logic và sơ đồ chân kết nối.
• Trình bày giải thuật điều khiển số: Thuật toán nội suy đường thẳng và thuật toán nội suy đường tròn Midpoint, phân tích tính toán khoảng cách sai số d1, d2 và cách lấy các điểm đối xứng trên đường tròn để tối ưu hóa thời gian tính toán.
• Thiết kế phần mềm giao diện điều khiển trên máy tính cho phép người vận hành nạp thông số quỹ đạo gia nhiệt, mô phỏng hình dạng biến dạng của tấm thép trước khi nung và giám sát trạng thái chuyển động của máy.

Chương V: Kết quả đạt được và thực nghiệm

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả chế tạo mô hình thực tế và thử nghiệm vận hành:

• Giới thiệu hình ảnh máy hoàn thiện sau khi lắp ráp cơ khí, động cơ servo và đấu nối tủ điện điều khiển.
• Tiến hành đo đạc và kiểm tra dung sai vị trí của hệ thống theo hai phương chuyển động chính là trục X và trục Y, tổng hợp thành bảng số liệu sai số thực tế.
• Thực nghiệm biến dạng thép tấm: Cho máy vận hành đầu nung cảm ứng từ chạy theo các quỹ đạo gia nhiệt đường thẳng và quỹ đạo đường cong lượn sóng trên các tấm thép có chiều dày 10 mm; quan sát và ghi nhận hình dạng uốn cong thực tế của tấm thép sau nung, so sánh với mô phỏng hình học trên phần mềm máy tính.

Kết quả và đóng góp

Văn bản ghi nhận các kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm sau:

Hạng mục kiểm tra / Thực nghiệm	Số liệu và kết quả ghi nhận trong văn bản
Quy cách phôi gia công	Tấm thép dày 10 mm, kích thước giới hạn tối đa 1,4 m x 1,5 m.
Thông số bộ truyền vít me bi trục Z	Chiều dài: 400 mm; đường kính trong d1: 20 mm; bước ren: 5 mm; số mối ren: 4 mối; tỉ số truyền hộp giảm tốc trục vít: 1:30.
Thông số bộ truyền thanh răng trục X và Y	Mô-đun m = 3; đường kính vòng chia bánh răng d1 = 54 mm; chiều dài thanh răng trục X: 1,5 m; 2 thanh răng trục Y: mỗi thanh dài 1,4 m.
Mô phỏng ứng suất tĩnh (SolidWorks)	Dầm nhôm Profile 45 x 45: Ứng suất max đạt 2,82898 x 10^6 N/m^2, chuyển vị cực đại U = 1,029 mm; Dầm nhôm Profile 50 x 50: Ứng suất max đạt 2,25262 x 10^6 N/m^2; Đồ gá chịu lực dày 5 mm: Ứng suất max đạt 2,72054 x 10^7 N/m^2 (nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu).
Kiểm tra dung sai cơ hệ	Đo kiểm thực tế và lập bảng dung sai vị trí chuyển động theo phương X (Bảng 5.1) và phương Y (Bảng 5.2).
Kết quả tạo hình thực nghiệm	Thực hiện thành công việc biến dạng uốn cong tấm thép dày 10 mm theo các biên dạng thử nghiệm (quỹ đạo đường thẳng tạo tấm uốn cong một chiều và quỹ đạo cong tạo tấm thép hình lượn sóng), kiểm chứng sự trùng khớp giữa mô phỏng phần mềm và sản phẩm gia công thực tế.

Về mặt giải pháp và đóng góp, đồ án đã đề xuất phương án kết cấu cơ khí dùng nhôm định hình kết hợp vít me bi tự hãm và bộ truyền thanh răng - bánh răng nhằm tối ưu chi phí chế tạo mô hình thử nghiệm. Thay vì dùng vi điều khiển thông thường, việc sử dụng PLC phát xung PTO điều khiển servo giúp hệ thống vận hành tin cậy trong môi trường công nghiệp có nhiều nhiễu điện từ tần số cao. Công trình giải quyết được bài toán tự động hóa dẫn động đầu nung nhiệt cảm ứng thay thế phương pháp uốn vỏ tàu thủ công bằng ngọn lửa khí oxy - axetylen, góp phần hoàn thiện quy trình công nghệ uốn thép tấm không tiếp xúc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập trực tiếp hoặc rút ra từ phạm vi nghiên cứu bao gồm:

• Khung máy sử dụng vật liệu nhôm định hình Profile nhằm giảm nhẹ khối lượng và chi phí nhưng độ cứng vững của nhôm thấp hơn thép, do đó kết cấu không phù hợp khi hệ thống vận hành ở dải tốc độ cao vì dễ phát sinh rung động gây sai số vị trí.
• Mô hình phân tích phần tử hữu hạn (SolidWorks Simulation) mới chỉ dừng lại ở bài toán tĩnh học cho các chi tiết dầm nhôm và tấm đồ gá phẳng; cụm trục Z có kết cấu cơ khí phức tạp nên chưa thể mô phỏng chi tiết trường ứng suất và chuyển vị tổng thể.
• Đề tài tập trung chế tạo mô hình máy thực nghiệm và kiểm tra độ uốn định hình tại xưởng/phòng thí nghiệm (OpenLab); các điều kiện làm việc thực tế khắc nghiệt tại các nhà xưởng đóng tàu (bụi bẩn, độ ẩm, biến thiên tải trọng lớn) chưa được đánh giá dài hạn.

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất là tiếp tục cải tiến độ cứng vững của khung máy bằng các vật liệu chịu lực cao hơn nếu cần tăng tốc độ di chuyển; hoàn thiện thuật toán nhận diện và bù sai số biến dạng nhiệt theo thời gian thực; tích hợp cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc để giám sát chính xác trường nhiệt trên bề mặt tấm thép trong suốt quá trình nung uốn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp và Kỹ thuật Đóng tàu.

Cụ thể, các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao gồm:

• Quy trình tính toán lựa chọn bộ truyền cơ khí (vít me đai ốc bi có hộp giảm tốc tự hãm kết hợp thanh răng - bánh răng) và quy trình thiết lập bài toán kiểm nghiệm độ bền tĩnh, chuyển vị bằng công cụ SolidWorks Simulation trong Chương II.
• Phương pháp xây dựng bảng thông số Denavit - Hartenberg (D-H) và thiết lập ma trận Jacobi cho mô hình máy CNC tọa độ Decartes trong Chương III.
• Cấu trúc tích hợp phần cứng điều khiển công nghiệp: Phương pháp ghép nối máy tính qua cổng truyền thông nối tiếp RS-232 với PLC và kỹ thuật lập trình phát xung PTO điều khiển driver động cơ servo trong Chương IV.
• Tài liệu thực tế về phương pháp uốn thép tấm bằng nguồn nhiệt cảm ứng từ phục vụ nghiên cứu công nghệ tạo hình vỏ tàu trong công nghiệp đóng tàu thủy.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đồ án lựa chọn phương án phôi cố định thay vì phương án phôi di chuyển trên bàn trượt?
Phương án phôi cố định được chọn vì kích thước phôi thép gia công tương đối lớn (1,4 m x 1,5 m) và chiều dày 10 mm có khối lượng rất nặng. Hơn nữa, trong quá trình gia công nung nhiệt, tấm thép bị biến dạng uốn cong liên tục nên không thể kẹp chặt cố định trên bàn trượt để di chuyển. Đồng thời, quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ không phát sinh lực cắt cơ học nên việc để phôi đứng yên và cho đầu nung di chuyển 3 trục là giải pháp tối ưu nhất nhằm tránh rung động và sai số.

Cơ cấu truyền động nào được sử dụng cho trục Z và trục X, Y của máy?
Trục Z sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc bi ma sát lăn (chiều dài 400 mm, đường kính trong 20 mm, bước ren 5 mm, 4 mối ren) kết hợp hộp giảm tốc trục vít bánh vít tỉ số truyền 1:30 có tính tự hãm nhằm tránh hiện tượng đầu từ bị rơi tự do do trọng lực. Trục X sử dụng bộ truyền bánh răng - thanh răng (chiều dài thanh răng 1,5 m, mô-đun m = 3, đường kính vòng chia d1 = 54 mm). Trục Y sử dụng 2 thanh răng dài 1,4 m có cùng mô-đun m = 3 kết hợp hệ thống 2 thanh trượt bi kích thước 30 x 25 x 1400 mm.

Kết quả mô phỏng ứng suất tĩnh của dầm nhôm Profile 45 x 45 và Profile 50 x 50 trên SolidWorks Simulation đạt giá trị bao nhiêu?
Theo kết quả phân tích trạng thái tĩnh trên phần mềm SolidWorks Simulation, thanh nhôm Profile 45 x 45 mm (dài 1,4 m) có ứng suất cực đại là 2,82898 x 10^6 N/m^2 và chuyển vị cực đại U = 1,029 mm. Thanh nhôm Profile 50 x 50 mm (dài 1,5 m làm dầm trục X) có ứng suất cực đại là 2,25262 x 10^6 N/m^2. Các giá trị ứng suất này đều nằm trong giới hạn bền cho phép của vật liệu.

Bộ điều khiển trung tâm và phương thức điều khiển động cơ servo trong hệ thống được thiết lập như thế nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC làm khối xử lý trung tâm, kết nối truyền thông với máy tính qua cổng COM chuẩn RS-232. PLC sử dụng chức năng phát chuỗi xung PTO (Pulse Train Output) để cấp xung điều khiển trực tiếp đến các bộ driver điều khiển động cơ servo Mitsubishi HA-FE, giúp kiểm soát chính xác vị trí và vận tốc của từng trục tọa độ theo giải thuật nội suy Midpoint.

Đồ án đã tiến hành thực nghiệm gia công trên loại vật liệu nào và thu được kết quả biến dạng ra sao?
Đồ án đã thực nghiệm trên các tấm thép có chiều dày 10 mm. Kết quả nung nhiệt cảm ứng từ đã làm biến dạng uốn cong thành công tấm thép theo hai dạng quỹ đạo: đường nung thẳng tạo độ cong một chiều và quỹ đạo đường nung uốn lượn tạo hình tấm thép sóng, phù hợp với biên dạng mô phỏng trước trên máy tính.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy biến dạng thép tấm bằng cảm ứng từ" của sinh viên Nguyễn Trung Tín và Võ Huy Nghiêm đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán, thiết kế cơ khí 3 trục và chế tạo mô hình thực nghiệm hoạt động ổn định. Công trình kết hợp thành công giữa kết cấu cơ khí dùng vít me bi, thanh răng - bánh răng với hệ thống điều khiển tự động PLC phát xung PTO điều khiển servo qua chuẩn giao tiếp RS-232. Kết quả gia công thử nghiệm uốn biến dạng thành công tấm thép dày 10 mm khẳng định tính khả thi của giải pháp công nghệ tạo hình nhiệt cảm ứng từ, mở ra hướng ứng dụng tự động hóa hiệu quả nhằm thay thế phương pháp uốn nhiệt thủ công trong ngành công nghiệp đóng tàu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Đối tƣợng nghiên cứu: Cùng với quá trình hiện đại hóa-công nghiệp hóa của đất nƣớc, ngành sản xuất cơ khí hiện nay đòi hỏi khả năng tự động và sự linh hoạt ngày càng cao. Để đáp ứng đƣợc điều này thì việc đƣa vào sử dụng các máy gia công kỹ thuật số CNC là điều kiện tiên quyết trong quá trình sản xuất. Việc đƣa máy CNC vào sử dụng trong các ngành sản xuất đã giúp cho các doanh nghiệp tăng cao khả năng gia công cũng nhƣ cải thiện độ tin cậy của sản phẩm nhờ vào các ƣu điểm vƣợt trôi so với các máy gia công thông thƣờng. Ngày nay, phần lớn các cơ sở sản xuất tại Việt Nam đang dần dần sử dụng công nghệ gia công số CNC để thay thế các phƣơng pháp gia công truyền thống tại các cơ sở sản xuất của họ.

Nắm bắt xu thế phát triển chung của xã hội, chúng em đã tìm hiểu và thiết kế phần cơ khí của máy biến dạng thép nhằm mục đích giảm thiểu chi phí và thời gian trong việc trang bị các máy gia công đắt tiền cũng nhƣ đáp ứng nhu cầu đào tạo của nhà trƣờng và xã hội. Ứng dụng trong đề tài này sử dụng trong công nghệ đóng tàu, kết hợp với đầu cảm ứng từ và công nghệ chuyển động 3 trục điều khiển chuyển độngtheo phƣơng pháp tạo hình bằng cảm ứng từ. Các nghiên cứu hiện nay trên thế giới đều tập trung vào việc thiết kế và tính toán biến dạng của tấm thép trong quá trình định dạng mà chƣa đi sâu nghiên cứu việc thiết kế tối ƣu đầu tạo nhiệt cũng nhƣ việc tiên đoán đƣờng di chuyển của nó, cách di chuyển sao cho hợp lí và công nghệ hóa các chuyển động đó và đi sâu vào quá trình chuyển động theo 3 phƣơng X, Y, Z.2 Tình hình nghiên cứu Hiện nay công nghệ CNC đang rất phát triển, áp dụng phƣơng pháp chuyển động 3 trục thay cho sức ngƣời, công nghệ hoàn toàn mới và đƣợc cải tiến liên tục. Riêng trong lĩnh vực cơ khí hiện nay đang rất phát triển, công nghệ đƣợc đổi mói hoàn toàn, thay thế sức lao động của con ngƣời.

Ví dụ nhƣ máy tiện qua vài năm gần đây công nghệ đã dần đổi mới từ cũ kĩ tới hiện đại. SVTH : NGUYỄN TRUNG TÍN – MSSV : 11104092 TRANG 1 VÕ HUY NGHIÊM – MSSV : 11104070 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG Hình 1. - Hiện nay : Một trong những thành tựu lớn của tiến bộ khoa học kĩ thuật là tự động hóa sản xuất.

Phƣơng thức cao của tự động hóa sản xuất là sản xuất linh hoạt. Trong dây chuyền sản xuất linh hoạt thì điều khiển số CNC đóng vai trò rất quan trọng. Giảm khối lƣợng gia công chi tiết, tiết kiệm thời gian, gia công chính xác và hiệu quả kinh tế. Ở Việt Nam hiện nay các máy CNC đang đƣợc sử dụng rộng rãi để chế tạo các chi tiết cơ khí đặt biệt là chế tạo khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ công nghiệp quốc phòng, đặt biệt trong các nhà máy đóng tàu máy CNC dùng để gia công các tấm tôn trong vỏ tàu.Ngoài ra,các máy CNC còn đƣợc dùng trong nghiên cứu khoa học, đào tạo đại học sau đại học, học nghề ở các trƣờng kỹ thuật.

Trên thực tế ngành khuônmẫu và ngành nhựa của Việt Nam đang phát triển rất mạnh. Những khuôn mẫu đơn giản thì có thể gia công bằng máy tay hoặc máy vạn năng, song để tạo ra các khuôn mẫu, chi tiết máy phức tạp thì bắt buộc phải gia công trên các máy công cụ điều khiển số CNC (gọi tắt là máy CNC), chính vì vậy đảng và nhà nƣớc đã có rất nhiều chính sách để đầu tƣ phát triển CNC.Hoàng Vĩnh Sinh Trƣờng ĐHBK Hà Nội cho biết năm 2006 Việt Nam bỏ ra khoảng 4,5 tỷ USD để nhập các máy CNC, cũng năm đó 23 doanh nghiệp Nhật Bản sang Việt Nam tìm nhà cung cấp phụ kiện SVTH : NGUYỄN TRUNG TÍN – MSSV : 11104092 TRANG 2 VÕ HUY NGHIÊM – MSSV : 11104070 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG cho các sản phẩm của họ nhƣng không đƣợc, nguyên nhân thì có nhiều song một phần chính là do các doanh nghiệp trong nƣớc còn thiếu những chiếc máy CNC chất lƣợng cao. Trên thị trƣờng Việt Nam, các máy CNC bình thƣờng có sai số vị trí là 0,01mm, các máy CNC do Đài Loan và Trung Quốc sản xuất có phần điều khiển mua của các hãng nổi tiếng nhƣ FANUC, MITSHUBISHI.

có giá bán khá phù hợp với đại đa số các doanh nghiệp trong nƣớc song còn yếu 3các khâu nhƣ đào tạo, dịch vụ sửa chữa và thay thế sau bán hàng, chất lƣợng còn chƣa đồng đều. Máy CNC của các nƣớc phát triển nhƣ Nhật, CHLB Đức,. có chất lƣợng tốt song giá thành đắt, rất khó bảo trì bảo dƣỡng. Giá thành cao, nhu cầu lại lớn nên ở TP HồChí Minh đã hình thành những công ty và nhóm chuyên gia chuyên lắp ráp máy CNC cũ hỏng thành máy mới.

Ngoài ra, một số công ty cơ khí cũng bắt đầu tự nhập bộ điều khiển và chế tạo phần cơ để cho ra đời những chiếc máy CNC "made in Vietnam" đầu tiên. Tuy nhiên do chƣa nắm vững công nghệ trong việc quản lý chất lƣợng cũng nhƣ khi lắp ráp, những chiếc máy này thƣờng có độ chính xác không cao, độ tinn cậy không lớn. Khó khăn nhất trong phần chế tạo máy CNC "made in Vietnam" không phải ở phần điều khiển hay phần điện tử mà chính là phần cơ khí, phần kết cấu và dẫn truyền cơ khí. Qua đây ta thấy đƣợc nhu cầu về máy CNC ở Việt Nam là rất lớn.

Nó không những đƣợc sử dụng vào sản xuất mà máy CNC ở Việt Nam còn đƣợc sử dụng vào đào tạo. Mặc dù CNC Việt Nam đang đứng trƣớc những vận mệnh to lớn nhƣng cũng đầy thách thứcvà khó khăn.Việc cần có một chiếc máy CNC “ made in Việt Nam” là việc hết sức cần thiết và cấp bách.3 Mục tiêu nghiên cứu. Xuất phát từ nhu cầu thực tế của Việt Nam cần có những máy CNC họat động ổn định,linh họat,chi phí chế tạo thấp, với vốn kiến thức ít ỏi đã học đƣợc trong nhà trƣờng, em đã ấp ủ ý tƣởng “ Thiết kế xây dựng máy phay CNC 3 trục điều khiển bằng máy tính”. Mục tiêu hƣớng tới là xây dựng cho riêng mình một chiếc máy CNC đơn giản, họat động ổn định, chắc chắn,đặt biệt là ứng dụng trong công nghệ đóng tàu hiện nay của Việt Nam cụ thể nhƣ sau: + Thiết kế chế tạo phần cơ khí cho máy.

+ Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển máy. - Áp dụng tự động hóa máy móc dùng CNC hiện nay. SVTH : NGUYỄN TRUNG TÍN – MSSV : 11104092 TRANG 3 VÕ HUY NGHIÊM – MSSV : 11104070 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG .2: Máy phay tiện CNC Hình 1.3: Máy gia công CNC 5 trục.

SVTH : NGUYỄN TRUNG TÍN – MSSV : 11104092 TRANG 4 VÕ HUY NGHIÊM – MSSV : 11104070 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG Hình 1.5 Máy Phay CNC SVTH : NGUYỄN TRUNG TÍN – MSSV : 11104092 TRANG 5 VÕ HUY NGHIÊM – MSSV : 11104070 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG Từ khi công nghệ này ra đời nhiều công ty đƣợc cải thiện, sức lao đông của công nhân và chi phí cũng nhƣ giá cả cho sản phẩm cũng giảm đi rất nhiều. Tự động hóa phát triển công nghiệp phát triển, máy móc thiết bị cải thiện tốt hơn.4Mục tiêu đề tài: Với những ƣu điểm đã nêu ở trên, đề tài sẽ đi vào nghiên cứu và chế tạo theo những tiêu chí sau:  Phƣơng pháp tạo hình nhiệt thép tấm sử dụng từ trƣờng tần số cao để đốt nóng dựa trên nguyên lý cảm ứng điện trƣờng xuất phát từ năng lƣợng hấp thụ điện từ xoay chiều trên tấm thép.

 Nghiên cứu, chế tạo quá trình tự động hóa chuyển động của máy biến dạng thép tấm.  Tự động hóa quá trình biến dạng thép tấm dày kích thƣớc lớn có thể sử dụng trong các nhà máy đóng tàu.  Việc sử dụng công nghệ mới này có thể gíup nâng cao chất lƣợng cũng nhƣ năng suất, hiệu quả kinh tế trong công nghiệp đóng tàu hoặc công nghiệp chế tạo các thiết bị công nghiệp.  Tự động hóa quá trình biến dạng tấm thép dày kích thƣớc lớn có thể sử dụng trong các nhà máy đóng tàu.

 Nâng cao chất lƣợng cũng nhƣ năng suất, hiệu quả kinh tế trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo các thiết bị trong công nghiệp.5 Phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu. Đề tài này sử dụng phƣơng pháp phân tích, khảo sát, phân tích thực nghiệm, mô phỏng và thí nghiệm, cũng nhƣ ứng dụng trực tiếp vào sản xuất ở các nhà máy đóng tàu. Mục đích chính của đề tài nhằm nghiên cứu và phát triển máy biến dạng thép bằng cảm ứng sử dụng trong công nghiệp đóng tàu. Máy đƣợc nghiên cứuvà chế tạo từ đề tài này chủ yếu sử dụng trong công nghiệp đóng tàu.

Ngoài ra máy này có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp nặng khác nhƣ công nghiệp chế tạo các máy móc công nghiệp nặng. Máy sẽ đƣợc nghiên cứu và chế tạo phục vụ cho việc làm biến dạng các miếng thép tấm có chiều dày 10mm. SVTH : NGUYỄN TRUNG TÍN – MSSV : 11104092 TRANG 6 VÕ HUY NGHIÊM – MSSV : 11104070 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG Hình 1.6: Uốn vỏ tàu bằng đầu đốt khí oxy – axetylen hiện nay.

SVTH : NGUYỄN TRUNG TÍN – MSSV : 11104092 TRANG 7 VÕ HUY NGHIÊM – MSSV : 11104070 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG CHƢƠNGII:CÁC PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ CHẾ TẠO Để thực hiện gia công thép tấm bằng nhiệt, ta cần một hệ thống cơ khí có khả năng tạo quỹ đạo chuyển động cho đầu nung cảm ứng theo yêu cầu đề ra: đầu gia nhiệt di chuyển theo một biên dạng trong một mặt phẳng bất kỳ để tạo hình tấm thép như mong muốn, đảm bảo độ chính xác cho phép. Trong chương này sẽ đề cập đến việc thiết kế và chế tạo hệ thống truyền động cho đầu nung cảm ứng.1 Các phƣơng án di chuyển của trục tọa độ: 2.1 Phƣơng án phôi cố định: Hình 2.1 Phương án phôi cố định. Đặc điểm của phƣơng án này: - Phôi đƣợc cố định nên giảm thiểu sai số vị trí và sai số khi gia công.